灵活双工专题组技术报告.pdf

1 IMT-2020（ 5G） 推进组 灵活双 工 专题组技术报告 技术报告 Technical Report 版权声明 Copyright Notification 本文档由 IMT-2020（ 5G） 推进组 灵活 双工专题组成员单位起草 未经书面许可 禁止打印、复制及通过任何媒体传播 2015 IMT-2020推进组版权所有 2 目 录 第一章 绪论 . 5 1.1 研究背景 . 5 1.1.1 蜂窝系统 . 5 1.1.2 LTE 系统 . 5 1.2 研究目的 . 6 1.2.1 现有的双工方式简介 . 6 1.2.2 无线业务量的发展 . 8 1.2.3 两种双工方式的缺点 . 9 1.2.4 研究目标 . 10 第二章 双工方式的演进 . 12 2.1 TDD&FDD 融合趋势 . 12 2.2 灵活双工研究进展 . 13 2.2.1 FDD 非对称频谱分配 . 14 2.2.2 动态 TDD . 14 2.2.3 动态频谱共享 . 16 2.3 全双工 . 17 2.4 灵活双工技术难点 . 18 2.5 灵活双工中的关键技术 . 21 2.5.1 上下行对称设计 . 21 2.5.2 发射功率对等 . 21 2.6 小结 . 21 第三章 应用场景 . 23 3.1 异构 . 23 3.2 RELAY . 23 3.2 密集小站 . 23 第四章 共存问题研究 . 25 4.1 法规调研 . 25 4.2 异运供应商干扰评估 . 25 第五章 灵活双工在 LTE 中的实现 . 27 5.1 灵活双工发送端信号处理流程 . 27 5.1.1 频谱搬移 . 27 5.1.2 参考信号正交 . 28 5.2 灵活双工接收端信号处理流程 . 32 5.3 小结 . 34 第六章 灵活双工在 5G 中的设计 . 35 6.1 载波映射 . 35 6.2 参考信号 . 35 3 第七章 仿真结果 . 36 7.1 射频性能评估 . 36 7.2 系统仿 真性能评估 . 36 7.3 小结 . 38 第八章 结论及建议 . 40 参考文献 . 42 4 5 第一章 绪论 1.1 研究背景 1.1.1 蜂窝系统 理论上，宏基站一般采用全向天线，那么它的覆盖范围是以基站为圆心的一个圆。而由于相邻基站的覆盖区域会在边缘处重叠，通常就把服务区划分成六边形的区域，每个子区中心设立一个基站，形成了类似蜂窝的架构，这也正是蜂窝网得名的由来。如 图 1 所示。而实际中，由于无线信道条件的复杂多变，各个小区的覆盖区域不是规则的六边形。蜂窝网主要包括三个部分：移动台、基站和骨干网。 移动台通过无线接入网与基站间收发信息，基站是连接无线网络和有线骨干网的转换设备。 图 1 蜂窝网结构 1.1.2 LTE 系统 相比于利用铜线和光纤等煤质进行传输的技术，无线频谱是一种在存在潜在干扰的多样技术间所共享的介质。因此，监管机构、特备是国际电信联盟的无线通信部门和区域以及国家监管机构在无线技术演进中起到了至关重要的作用。6 3GPP(第三代合作伙伴计划 , 3rd Generation Partnership Project)是目前最主要的对移动无线通信标准发展进行规划的组织 1。 3GPP 在 2004 年底指定了无线长期演进计划及无线长期演进标准 (Long Term Evolution, LTE)和系统架构演进标准 (System Architecture Evolution, SAE)2。 LTE接入网络基于 OFDM/OFDMA 技术，与 3 代移动通信技术 CDMA(码分多址， Code Division Multiple Access)相比带来了更高的频谱效率、更强的带宽扩展性、更灵活的频谱资源分配方式等。 目前开 始商用的 4G(4 代移动通信技术 )网络，即 LTE-Advanced 是 LTE（ Long Term Evolution）的演进。其满足了无线通信市场的逐步提高的需求及越来越多的应用的，同时还保持对 LTE 较好的后向兼容性。 1.2 研究目的 1.2.1 现 有的双工方式简介 目前 LTE 采用的双工方式分为时分双工技术 (Time Division Duplexing, TDD)，频分双工技术 (Frequency Division Duplexing, FDD)两种方式。 使用 FDD 模式的移动通信系统在分离的两个对称频率信 道上进行接收和发送，利用保护频段来分离接收和发送信道 ，避免信号将相互间干扰 。其中，一段频谱资源用于下行 信号的 传输 (由基站发送信号给移动台 )，一段频谱资源用于上行 信号的 传输 (由移动台等发送信号给基站 )。因此，其特点是必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，而其单方向的 信号传输 资源在时间上是连续的。FDD 模式的时间频率 工作 示意图如 图 2 所示。图中，横坐标为频率域，纵坐标为时间域。 在 TDD 模式的移动通信系统中，基站到移动台 之间的上行和下行通信使用同一频率信道 (即载波 )的不同时隙，用时间来分离接收和传送信道。即，在某个时间段由基站发送信号给移动台，而另外的时间由移动台发送信号给基站。这就要求基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。 TDD 模式的时间频率示意图如 图 3 所示。 7 图 2 FDD 模式时间频率工作示意图 图 3 TDD 模式时间频率工作示意图 因为 TDD 是按照采用不同的时隙来区分上下行信号的，二者的载波频率是一样的。在 LTE 标准中定义了多种 DL/UL(下行 /上行 )时间资源分配方式，包括下行资源较多的 “9:1”，到将大部分资源分配给上行业务的 “2:3”等 7 种不同的子帧 (时间 )配比。 二者的比较： 而 FDD 方式要求带宽对称的频段，也就是说用于上下行传输的资源是相等的。因此可以看出， FDD 在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低； TDD 技术可以灵活的设置上行和下行转换时刻，这就使得运营商能够根据全网络中上下行不同的业务 需求采用不同的资源配比，用于实现不对称的上行和下行业务带宽，有利于实现明显上下行不对称的数据业务，如互联网业务。但是，这种转换时刻的设置必须与相邻基站协同进行。 8 1.2.2 无线业务量的发展 上下行流量比例变化主要取决于用户使用业务类型的上下行比例， 表 1 列出了几种不同业务类型的平均上下行业务量需求比 3。如在线视频收看、软件下载、网络浏览等均是下行业务量远大于上行；而社交网络业务和 P2P 视频分享、文件传输等是则上行比例 会变大。类似的，不同业务在不同区域所需要的上下行比例差异也很大，这主要是由使用业务的软件特性和用户的使用习惯等因素造成。随着在线视频业务的增加，以及社交网络的推广，未来移动流量上下行比例将会变大。 表 1 不同业务上下行业务量需求对比 业务类型 平均上下行业务量比 在线视频 1:37 软件下载 1:22 网络浏览 1:9 电子邮件 1:4 社交网络 4:1 P2P 视频分享 3:1 从 表 1 可以看出下行业务需求量高的业务占多数，因而网络在多数时间内可能保持下行业务平均需求普遍高于上行业务，但在特定区域或时段，上行业务需求超出下行业务需求。 图 4 为 4GEE mobile living index 给出的撒切尔夫人葬礼现场及移动业务流量统计数据。图中人们争相用手机拍摄视频并上传到社交网络中，使得上行流量快速增长，超过了下行流量。 图 4 撒切尔夫人葬礼现 场及移动业务流量统计数据 9 同样的， 图 5 为在某大型足球比赛期间数据流量的统计 3。从统计结果可以看出，上下行平均业务量的比例大约 1:1。开场时上下行业务量持平；而随着比赛的进行上行业务出现快速增长，上行数据量高于下行；而散场时刻上行数据流需求下降，下行数据流需求增高，下行数据量高于上行数据。同时，比赛期间的数据流量剧增，远高于非比 赛时间。对上下行数据流需求变化的主要原因是众多用户使用社交网络分享图片，开场时以发送图片为主，散场时以接收为主。社交业务短时间在聚集区爆发，造成上下行流量比例突然收缩。 图 5 某足球比赛期间数据流量变化 1.2.3 两种双工方式的缺点 从前面的介绍中可以看出，移动数据业务的上下行需求呈现非对称性和时变性的特点。 FDD 系统采用对称频谱资源，分配相等的上下行资源，这种分配方式非常适合传统的语音业务占多数的通信系统。而在上下行业务量不对称的情况下可能造成资源的浪费。 如前面足球场的例子中，前半段时间上行业务量需求剧增，导致上行资源无法满足业务量的需求，造成网络拥堵；而此时下行业务量需求较低，部分下行资源处于空闲状态，但无法分配给上行业务使用。因而， FDD 方式无法满足当前以及未来无线业务的发展需求。 TDD 系统具有不同的时间资源分配方式，因而可以根据网络的业务量变化情况调整上下行资源的比例。但是，由于 TDD 网络要求基站之间、基站与移动台之间的上下行切换保证严格的时间同步。即，各基站发送或接收信号保持一致，10 这就要求全网采用相同的子帧配比。而前面的统计分析给出上下行业务量的需 求不仅是时变的，而且根据地域的不同也会变化，例如比赛中的足球场上行需求较高，但附近的咖啡馆可能下行需求较高。这就导致 TDD 的方式也无法满足变化的无线网络需求。 近年来，随着移动宽带业务种类和数量上的迅速增长，以及移动终端的快速发展，人们对无线通信的需求持续攀高。思科在 2014 年的预测报告中提到， 2018年平均每个月的全球移动数据业务量将达到 15.9Exabytes(存储单位， 1exabytes相当于 10 亿 G 字节 ) 4。如 图 6 所示。而无线资源频谱资源是有限的，因而如何高效利用现有频谱资源显得尤为重要。 图 6 全球移动业务量趋势预测 1.2.4 研究 目标 传统的移动通信业务以话音为主，且业务量需求 及变化 相对较小 、上下行业务 具有对称性 ，因而才采用了频谱成对出现的 FDD 系统及全网统一子帧配比的TDD 系统 。 而 当前 飞速发展 的移动宽带业务呈现出 多变 特性 ：上下行业务比例的变化、业务需求随时间的变化、随地点的变化 等。 现有的 无线通信网络的双工方式 已不能够 灵活 的适应 当前网络的发展。 无线资源作为不 可再生资源，十分有限。而 当前 由于双工方式无法适应变化